AALTO UNIVERSITY SCHOOL OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Faculty of Electronics, Communications and Automation Department of Electrical Engineering Publications in Power Systems and High Voltage Engineering 2010 Sähköenergiansäästön potentiaali kotitalouksissa Anssi Ahola ja Merkebu Zenebe Degefa
Sähköenergiansäästön potentiaali kotitalouksissa ENETE-Energiatehokkuuden kehittäminen energiayhtiöiden toimin 1. Johdanto... 3 2. Sähköenergiansäästön potentiaali... 3 2.1. Toimenpiteet ja tyyppitalot... 3 2.2. Sähkölämmityspientalo... 5 2.3. Rivitalo... 8 2.4. Puu-/Öljylämmitys... 10 2.5. Kerrostalohuoneisto... 11 3. Lämmitysjärjestelmän muutokset skenaarioissa... 13 3.1. Skenaariolaskelmat... 13 3.2. Päästöt... 16 3.3. Kotitaloussähkön osuus skenaarioissa... 17 4. Yksittäiset arviot eri ratkaisuiden sähköenergian säästöpotentiaalista... 18 4.1. Valaistus... 19 4.2. Poistoilmalämpöpumput... 19 4.3. Sisälämpötilan pudottaminen... 21 4.4. Stand-by kulutus... 21 5. Sähköenergiansäästön laskukaavat... 22
1. Johdanto Tässä raportissa summataan sähköenergian säästöpotentiaalia kotitalouksissa tyyppitalojen avulla. Säästötoimenpiteille on myös johdettu vaikutus CO2-päästöihin keskimääräisillä päästökertoimilla laskettuna. 2. Sähköenergiansäästön potentiaali 2.1. Toimenpiteet ja tyyppitalot Sähköenergiansäästön potentiaali kotitalouksissa on laskettu käyttämällä tyyppitaloja, joista on edelleen laskettu kokonaisenergiansäästö erilaisilla skenaarioilla. Tyyppitalojen koot on saatu tutkimuksessa kootusta kyselyaineistosta (Degefa, 2010), josta on myös saatu keskimääräiset säästöprosentit eri toimenpiteille. Kysely suoritettiin Kainuun, Savon ja Vantaan alueille, ja tulokset tallennettiin tietokantaan johon koottiin myös energianmittauksesta saadut tuntisarjat. Ilmalämpöpumppujen mahdollistamat kokonaissäästöt omakoti- ja rivitalossa laskettiin aineiston pohjalta, kuten myös maalämpöpumpulla omakotitaloissa saatavat säästöt. Rivitalon arvot sitä vastoin on arvioitu omakotitalon perusteella, koska tietokannassa ei ollut tarpeeksi kyseisiä kohteita. Tyyppitalojen pinta-aloina käytettiin aineiston keskiarvolukuja ja IT-sovellukset ja energiatehokkuuden kehittäminen -raportin tietoja (Lehtonen, Heine, et al. 2007) rakennuskannasta. Tyyppitalojen CO2-säästö laskettiin päästökertoimien keskimääräisillä arvoilla. Eri säästöratkaisuilla saavutettavat keskimääräiset säästöt sähköenergiassa ovat alla olevan taulukon 1 mukaiset. Ohjelmoitavan termostaatin arvo on saatu laskemalla teoreettisesti, muut toimenpiteet on saatu tuntimittausdataa tutkimalla. Seuraavaksi tarkastellaan ensin tyyppitalossa mahdollisesti saavutettavia sähköenergiansäästöjä kotitaloussähkön osalta lamppuja vaihtamalla ja muuta toimintaa tehostamalla. Tämän jälkeen tarkastellaan lämmitysjärjestelmään tehtävien muutoksien tuomaa sähköenergiansäästöä. Tyyppitaloille on käytetty lämmitysenergian tarpeena 148 kwh/ m 2,a. Tämä arvo saattaa olla isojen tyyppitalojen kohdalla liian suuri, mutta arvoa käytettiin kaikille tyyppitaloille selvyyden vuoksi. Lähtöarvot on annettu taulukossa 2.
Taulukko 1 Yhteenveto sähköenergian säästöpotentiaaleista Käyttökohde Toimenpide Sähkön säästöarvio Maalämpöpumppu Vaihdetaan sähkölämmitys Säästö lämmityskulutuksessa maalämpöön on 27,45 47 % Ilmalämpöpumppu Ilmanvaihto Termostaattityyppi Termostaatin asetus Käytetään ilmalämpöpumppua tukemaan sähkölämmitystä Lämmön talteenotto koneellisessa ilmanvaihdossa Ohjelmoitavat termostaatit (kuva 2) Lasketaan sisälämpötilaa asteella lämmityskaudella Säästö 7,8 25,6 % lämmityskulutuksessa Keskimäärin 13,6 % säästö sähkön kokonaiskulutuksessa Keskimääräinen säästö 14,7 % lämmitysenergiassa. Keskimääräinen säästö 3,43 % kokonaissähkön kulutuksessa Stand-by kulutus NA Keskimäärin 46,2 W.n tehon säästöä taloutta kohti Energiansäästölamput Tukilämmitysmuoto Vaihdetaan hehkulamput energiansäästölamppuihin Käytetään puuta tukilämmitysmuotona Säästö 13,62 17,06 % kotitaloussähköstä Säästö on 4,72 % kokonaissähkön kulutuksesta poltettua kuutiometriä kohden vuodessa
Tyyppitalo Stand-by säästö, valaistus, yms. - hukkalämpö Lämmitysjärjestelmän muutokset Rakennuskan nan säästöt Kokonaissäästö tyyppitalossa Kuva 1 Säästöjen laskentaa kuvaava kaavio Taulukko 2 Laskennoissa käytettyjen tyyppitalojen ja huoneistojen koko ja vuosikulutus Tyyppitalo lämmitysmuoto Käyttö Pinta-ala m 2 Käyttövesi kwh Vuosi sähkö/ muu lämmitys energia kwh Sähkölämmitys Pientalo 100 4000 14800 6000 Rivitalo 81,8 3000 12106 4000 Kotitalous sähkö kwh Puu- /Öljylämmitys Pientalo 150 4000 22200 7000 Rivitalo 81,8 3000 12106 4000 Muu Kerrostalo 75 2000 11100 2600 2.2. Sähkölämmityspientalo Ensimmäinen tyyppitalo on sähkölämmityspientalo, jonka koko on 100 m 2 ja sähkönkäyttö on lämmityksessä 14800 kwh, käyttöveden lämmityksessä 4000 kwh ja kotitaloussähkönä 6000 kwh. Sähkön säästöpotentiaali muodostuu seuraavasti: Kotitaloussähkö
- Hehkulamppujen vaihto energiansäästölamppuihin säästää sähköenergiaa 13,6 17.06 % kotitaloussähköstä eli keskimäärin 15,3 %. Säästö 6000 kwh x 0,153 = 918 kwh. - Stand-by kulutukseksi arvioitiin noin 46,2 W yöaikaan. Olettama valmiustila-ajaksi 20 h/vrk, saadaan energiaksi päivässä 0,924 kwh ja vuodessa 337,3 kwh Lämmityssähköenergian säästöpotentiaali ilman lämmitysjärjestelmän muutoksia - Sisälämpötilan laskeminen asteella 81-100 neliön omakotitalossa vastasi tietokannan mukaan keskimäärin 3,4 % pienennystä sähkön kulutuksessa. Pelkän huonelämpötilan vaikutusta on vaikea erotella ja arvo vaihteli välillä 1,18-4,98 %. Säästö keskimäärin 503,2 kwh vuodessa. - Ohjelmoitavalla termostaatilla säästettäisiin teoreettisen laskelman perusteella noin 14,7 % lämmitysenergiasta, kun ohjaus on kuvan 2 mukainen. Säästö 2175,6 kwh. Yhteisvaikutus kotitalous- ja lämmityssähkön välillä (hukkalämmön hyödyntäminen) - Osa lamppujen ja stand-by kulutuksen sähköenergiasta tuli aikaisemmin käytettyä hyödyksi lämmityksessä. Oletetaan hyödyntämisprosentiksi 50 %. Tämä pienentää säästöjä 0,5 x (918 +337,3)kWh = 627,7 kwh, mikä energiamäärä nyt joudutaan tuottamaan sähkölämmityksellä. Kuva 2 Säästöpotentiaalin arvioinnissa käytetty ohjelmoitavan termostaatin lämpötila-asettelu Tyyppitalossa saatavat säästöt verrattuna lähtötilanteeseen on kuvattu kuvissa 3 ja 4, ja niistä on yhteenveto esitetty alla. Kotitaloussähköstä saatu hukkalämmön pieneneminen kasvattaa lämmitysenergian tarvetta kuvan 3 osoittamalla tavalla. Kotitaloussähkön säästö (lamput ja stand-by): 918 kwh + 337,3 kwh = 1255,3 kwh Sähkölämmityksen ohjauksella saavutettava säästö (lämpötilan pudottaminen + termostaatti hukkalämpö-osuus): 503,2 kwh + 2175,6 kwh 627,7 kwh = 2051,1 kwh
Sähkölämmitysenergia 16000 14000 12000 10000 2175.6 503.2 627.7 lämmityksellä korvattava hukkalämpön vähentyminen uusi termostaatti KWh 8000 6000 14800 12121.2 12121.2 asteen vähennys sisälämpötilasta uusi lämmitys 4000 alkutilanne 2000 0 Alkutilanne Lämmitys säästötoimien jälkeen Lisätty tarvittavalla hukkalämpön korvausenergialla Kuva 3 Sähkölämmityksen ohjauksella saatavat säästöt tyyppitalossa Säästö kotitaloussähkössä 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 918 337.3 4744.7 Kotitaloussähkö säästö lamput säästö stand-by uusi kotitaloussähkö Kuva 4 Kotitaloussähköstä saatavat säästöt sähkölämmitetyssä tyyppitalossa
LÄMMITYSMUUTOKSET SÄHKÖLÄMMITYSTYYPPITALOSSA Tarkastellaan seuraavaksi lämmitysjärjestelmän rakenteellisia muutoksia, sekä niiden avulla saatavaa energiansäästön potentiaalia sähkölämmitetyssä tyyppitalossa. Mittausaineiston perusteella oli maalämpöpumpulla saavutettava säästö keskimäärin 35 %, ilmailmalämpöpumpulla 22,5 % ja poistoilmalämpöpumpulla 13,6 %, sähkölämmitysenergiasta laskettuna. Tekemällä ensin säästötoimenpiteet sisälämpötilan sekä energiansäästölamppujen ja stand-bykulutuksen tuoman hukkalämmönosalta osalta jäisi lämmitystarpeeksi tyyppitalossa: 14800 kwh 2051,1 kwh = 12748,9 kwh. Esimerkkitalossa tämä vastaisi lämmitystarpeen pienenemistä 148 kwh:sta 127 kwh:een neliöltä. Lämmitystaparatkaisuilla saavutettava säästö olisi näin ollen: - Ilmalämpöpumppu 0,225 x 12748,9 = 2865,5 kwh - Maalämpöpumppu 0,35 x 12748,9 = 4462,1 kwh - Poistoilmalämpöpumppu 0,136 x 12748,9= 1733,9 kwh Energiansäästö ottaen huomioon kaikki edellä mainitut keinot olisi ilmalämpöpumpputalossa 6171 kwh ja maalämpö- ja poistoilmalämpöpumpputapauksissa vastaavasti 7768 kwh ja 5040 kwh, mikä vastaa 25%, 31% tai 20% tyyppitalon kokonaissähkönkulutuksesta. 2.3. Sähkölämmitetty rivitalohuoneisto Tyyppirivitalohuoneiston pinta-ala on 81,8 m 2 ja sähkön käyttö lämmityksessä on 12106 kwh, käyttöveden lämmityksessä 3000 kwh ja kotitaloussähkön osalta 4000 kwh. Sähkön säästöpotentiaali muodostuu seuraavasti: Kotitaloussähkö - Hehkulamppujen vaihto energiansäästölamppuihin säästää sähköenergiaa 13,6 17.06 % kotitaloussähköstä eli keskimäärin 15,3 %. Säästö 4000 kwh x 0,153 = 612 kwh. - Stand-by kulutukseksi arvioitiin noin 46,2 W yöaikaan. Olettama valmiustila-ajaksi 20 h/vrk, saadaan energiaksi päivässä 0,924 kwh ja vuodessa 337,3 kwh Lämmityssähköenergian säästöpotentiaali ilman lämmitysjärjestelmän muutoksia - Sisälämpötilan pudottaminen asteella vastasi tietokannan mukaan noin 3,4 % pienennystä sähkön kulutuksessa. Säästö 411,6 kwh vuodessa. - Ohjelmoitavalla termostaatilla säästettäisiin teoreettisen laskelman perusteella noin 14,7 % lämmitysenergiasta. Säästö 1780 kwh. Yhteisvaikutus kotitalous- ja lämmityssähkön välillä - Osa lamppujen ja stand-by kulutuksen sähköenergiasta tuli aikaisemmin käytettyä hyödyksi lämmityksessä. Oletetaan hyödyksi 50 %. Tällöin säästöjä jäisi saamatta 0,5 x (612+337,3)kWh = 474,7 kwh. (Joka joudutaan tuottamaan sähkölämmityksellä)
Kotitaloussähkön säästö (lamput ja stand-by): 612 kwh + 337,3 kwh = 949,3 kwh Sähkölämmityksen ohjauksella saavutettava säästö (lämpötilan pudottaminen + termostaatti - hukkalämpö): 411,6 kwh + 1780 kwh 474,7 kwh = 1716,9 kwh Rivitalon sähkölämmitys 14000 12000 10000 1780 411.6 474.7 lämmityksellä korvattava hukkalämpön vähentyminen uusi termostaatti kwh 8000 6000 4000 12106 9914.4 9914.4 asteen vähennys sisälämpötilasta uusi lämmitys alkutilanne 2000 0 Alkutilanne Lämmitys säästötoimien jälkeen Lisätty tarvittavalla hukkalämpön korvausenergialla Kuva 5 Rivitalon sähkölämmityksen ohjauksella saatavat säästöt
Rivitalon kotitaloussähkö 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 612 337.3 3050.7 Kotitaloussähkö lamput stand-by uusi kotitaloussähkö Kuva 6 Rivitalon kotitaloussähköstä saatavat säästöt LÄMMITYSSÄÄSTÖ SÄHKÖLÄMMITETYSSÄ RIVITALOSSA Tarkastellaan seuraavaksi lämmitysjärjestelmän rakenteellisia muutoksia, sekä niiden avulla saatavaa energiansäästön potentiaalia sähkölämmitetyssä tyyppirivitalossa. Tekemällä ensin säästötoimenpiteet sisälämpötilan sekä energiansäästölamppujen ja stand-bykulutuksen tuoman hukkalämmönosalta osalta jäisi lämmitystarpeeksi tyyppitalossa: 12106 kwh 1716,9 kwh = 10389,1 kwh. Lämmitysratkaisuilla saavutettava säästö olisi näin ollen: - Ilmalämpöpumppu 0,225 x 10389,1 = 2337,55 kwh - Maalämpöpumppu 0,35 x 10389,1 = 3636,19 kwh - Poistoilmalämpöpumppu 0,136 x 10389,1 = 1412,92 kwh Energiansäästö ottaen huomioon kaikki edellä mainitut keinot olisi ilmalämpöpumpputalossa 5002 kwh ja maalämpö- ja poistoilmalämpöpumpputapauksissa vastaavasti 6301 kwh ja 4078 kwh, mikä vastaa 26%, 33% tai 21% tyyppitalon kokonaissähkönkulutuksesta. 2.4. Puu-/Öljylämmitys Puu-/Öljylämmitteinen tyyppitalo on pientalo, jonka koko on 150 m 2 ja lämmityksessä kuluva energia on 22200 kwh ja käyttöveden lämmityksen osuus 4000 kwh. Kotitaloussähkön kulutus on 7000 kwh vuodessa. Kotitaloussähkön säästöpotentiaali voidaan arvioida seuraavasti: - Hehkulamppujen vaihto energiansäästölamppuihin säästää sähköenergiaa 13,6 17.06 % kotitaloussähköstä eli keskimäärin 15,3 %. Säästö 1071 kwh.
- Stand-by kulutukseksi arvioitiin noin 46,2 W yöaikaan. Olettama valmiustila-ajaksi 20 h/vrk, saadaan energiaksi päivässä 0,924 kwh ja vuodessa 337,3 kwh Kotitaloussähkön säästö (lamput ja stand-by): 1071 kwh + 337,3 kwh = 1408,3 kwh Puu-/Öljylämmitys 100 % 90 % 80 % 1071 337.3 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 5591.7 Kotitaloussähkö lamput stand-by uusi kotitaloussähkö Kuva 7 Puu- tai öljylämmitteisen tyyppitalon kotitaloussähkön säästöpotentiaali 2.5. Kerrostalohuoneisto Kerrostalohuoneisto tyyppitalossa, pinta-alaltaan 75 m 2. Kotitaloussähkön kulutus 2600 kwh vuodessa. Kotitaloussähkön säästöpotentiaali voidaan arvioida seuraavasti: - Hehkulamppujen vaihto energiansäästölamppuihin säästää sähköenergiaa 13,6 17.06 % kotitaloussähköstä eli keskimäärin 15,3 %. Säästö 397,8 kwh. - Stand-by kulutukseksi arvioitiin noin 46,2 W yöaikaan. Olettama valmiustila-ajaksi 20 h/vrk, saadaan energiaksi päivässä 0,924 kwh ja vuodessa 337,3 kwh. Tämä on sama kuin muissakin tyyppitaloissa, koska kulutuksen oletettiin tulleen elektroniikkalaitteista, joita on melkein joka taloudessa. Kotitaloussähkön säästö (lamput ja stand-by): 397,8 kwh + 337,3 kwh = 735,1 kwh
Kerrostalohuoneiston kotitaloussähkö 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 397.8 337.3 1864.9 Kotitaloussähkö lamput stand-by uusi kotitaloussähkö Kuva 8 Kerrostalohuoneistotyyppitalon säästö kotitaloussähkössä
3. Lämmitysjärjestelmän muutokset skenaarioissa 3.1. Sähkön säästön skenaariot Seuraavassa tarkastellaan eri energiansäästötoimien vaikuttavuutta valtakunnallisella tasolla yhdistämällä tyyppitaloille tehdyt analyysit skenaarioihin jotka kuvaavat lämmitystapamuutosten laajuutta rakennuskannassa. Taulukossa 3 on esitetty erilaisten talojen kokonaislukumäärä. Taulukkoon 4 on laskettu sähköenergian säästö tai lisäys tyyppitalolle, kun siihen on tehty lämmitysjärjestelmän energiansäästötoimenpiteet (lämpötilan lasku, uusi termostaatti) ja vaihdettu lämmitysjärjestelmää tai lisätty lämpöpumppu. Poistoilmalämpöpumppua laskuissa ei ole otettu mukaan. Sitä on tarkasteltu erikseen luvussa 4. Taulukko 3 Skenaarioissa käytetty asuntojen lukumäärä Talotyyppi Talotyyppi Kohteiden lkm. Pientalo huoneistokohtainen sähköl. 318 466 Rivitalo huoneistokohtainen sähköl. 5 x 21 804 Pientalo vesikiertoinen sähköl. 79 000 Rivitalo vesikiertoinen sähköl. 5 x 1454 Pientalo Öljylämmitys 233 845 Rivitalo Öljylämmitys 5 x 16 618 Taulukko 4 Sähköenergian tarpeen muutos tyyppitaloissa Talo Muutos Säästö(-)/Lisäys(+) kwh (tehostus+lämpöpumppu) Säästö/Lisäys käyttövedessä kwh Pientalo sähköl. ilmalämpöpumppu -4 916,6 Rivitalo sähköl. ilmalämpöpumppu -4 054,5 Pientalo maalämpöpumppu -6 513,2-1400 vesikiertoinen sähköl. Rivitalo maalämpöpumppu -5 353,09-1050 vesikiertoinen sähköl. Pientalo maalämpöpumppu + 14 430 + 2 600 öljylämmitys Rivitalo öljylämmitys maalämpöpumppu + 7 868,9 +1 950 Puu/öljylämmitys Ilma/ vesilämpöpumppu (puoleen lämmitystarpeesta) 0,5 x 22200 0,5x 0,27 x 22200 = 8103 (+) -
Rivitalokohteiden pienen määrän takia niille ei saatu omaa säästöarviota. Tämän takia niille käytetään samaa säästöprosenttia kuin omakotitaloille. Säästö on laskettu eri talotyypeille oletetusta vuotuisesta perustilanteen lämmöntarpeesta. Tyyppitalot kuvaavat mittausaineiston taloja, ja niitä ei ole sen tarkemmin muokattu vastaamaan Suomen keskimääräistä rakennuskantaa. Tyyppitalon lämmitystarpeeksi vuodessa on oletettu 148 kwh neliötä kohden. Tyyppitalojen energiankulutus on laskettu teoreettisesti, jotta puutteellinen mittausaineisto ei vaikuttasi liikaa vuosikulutukseen rivitalojen tai muiden tyyppitalojen kohdalla. Lämmitystarvearvio on otettu Sähkön ja kaukolämmön rooli energiatehokkuudessa ja energian säästössä raportista (Honkapuro S, et.al. 2009). Mittausaineistossa maalämpöpumpputalojen koko oli noin 170 neliötä ja öljylämmitystalouksien koko noin 120 neliötä. Vesikiertoinen puulämmitystalo oli keskimäärin 140 neliötä. Maalämpöön vaihtavien omakotitalojen suuruudeksi oletettiin 150 neliötä. Ilmalämpöpumppulaskuissa tyyppitalon koko on pienempi verrattuna maalämpöpumppu-tyyppitaloon, koska investoinnin kalleuden takia on vain isommat taloudet siirtyvät maalämpöön. Ilmalämpöpumpun hankinta on kannattavaa myös pienemmille talouksille. Mittausaiheiston perusteella maalämpöpumppu säästi keskimäärin noin 35 % ja ilmalämpöpumppu 22,5 %. Puuttuvien tietojen takia, mittausaineisto ei ota kantaa siihen, mille osuudelle lämmitystarpeesta lämpöpumppu on mitoitettu. Ilma/vesilämpöpumpulle oli liian vähän sopivia mittauskohteita, jotta niistä olisi saatu luotettavia tuloksia. Olettaen että tämä tyyppi sijoittuu tehokkuudessa maalämpö- ja ilma-ilmalämpöpumpun väliin, voisi säästö olla noin 27 %. Todennäköisiä vaihtajia ovat kaksoiskattilan hankkivat öljytai puulämmittäjät, joilla on vesikiertoinen lämmitys. PERUSSKENAARIO Oletetaan, että ilmalämpöpumpun käyttöön siirtyy sähkölämmittäjistä: - 50 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (159233 kpl) 159233 x 4916,6 kwh = -782 885 MWh - 50 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (10900 x 5) (10900 x 5) x 4054,5 kwh = -220 970 MWh Maalämpöpumppuun vaihtaa: - 40 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (31 600 kpl) 31600 x (6513,2+1400) kwh = -250 057 MWh - 40 % rivitaloista (580 x 5) 580 x 5 x (5353,1+1050 kwh) = -18 569 MWh - 25 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (58 500 kpl) Sähkönkäyttö lisääntyy 58500 x (14430+2600) kwh = + 996 255 MWh - 30 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (4900 kpl) 4900 x 5 x (7868,9+1050) kwh = + 218 513 MWh Ilma/vesilämpöpumppuun vaihtaa: - Oletuksella, että 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljy- tai muu lämmitys (23 000 kpl) vaihtaa ilma/vesilämpöpumppuun, ja tuotettava lämmitysenergia olisi puolet lämmitys tarpeesta. Kasvua olisi 23000 x 8103 kwh = +186 369 MWh.
Yhteensä: sähkön kulutus kasvaa + 128 656 MWh Öljyn kulutus pienenee -2 030 447 MWh OPTIMISTINEN SKENAARIO (suuri muutos) Oletetaan, että ilmalämpöpumpun käyttöön siirtyy sähkölämmittäjistä: - 80 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (254 700 kpl) 254 700 x 4916,6 kwh = -1 252 258 MWh - 80 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (17400 x 5) (17400 x 5) x 4054,5 kwh = -352 742 MWh Maalämpöpumppuun vaihtaa: - 60 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (47400 kpl) 47400 x (6513,2+1400) kwh = -375 086 MWh - 60 % rivitaloista (872 x 5). 872 x 5 x (5353,1+1050 kwh) = -27 918 MWh - 50 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (116 900 kpl) Sähkönkäyttö lisääntyy 116900 x (14430+2600) kwh = + 1 990 807 MWh - 50 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (8300 kpl). 8300 x 5 x (7868,9+1050) kwh = +370 134 MWh Ilma/vesilämpöpumppuun vaihtaa: - Oletuksella, että 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljy- tai muu lämmitys (23 000 kpl) vaihtaa ilma/vesilämpöpumppuun, ja tuotettava lämmitysenergia olisi puolet lämmitys tarpeesta. Kasvua olisi 23000 x 8103 kwh = +186 369 MWh. Yhteensä: sähkön kulutus kasvaa + 539 306 MWh Öljyn kulutus pienenee -3 817 329 MWh PESSIMISTINEN SKENAARIO (pieni muutos) Oletetaan, että ilmalämpöpumpun käyttöön siirtyy sähkölämmittäjistä: - 25 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (79600 kpl) 79600 x 4916,6 kwh = -391 361 MWh - 25 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (5450 x 5) (5450 x 5) x 4054,5 kwh = -110 485 MWh Maalämpöpumppuun vaihtaa: - 20 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (15 800 kpl) 15800 x (6513,2+1400) kwh = -125 029 MWh - 20 % rivitaloista (290 x 5). 290 x 5 x (5353,1+1050 kwh) = -9 284 MWh - 15 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (35 000 kpl) Sähkönkäyttö lisääntyy 35 000 x (14430+2600) kwh = +596 050 MWh
- 10 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (2490 kpl). 2490 x 5 x (7868,9+1050) kwh = +111 040 MWh Ilma/vesilämpöpumppuun vaihtaa: - Oletuksella, että 10 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljy- tai muu lämmitys (23 000 kpl) vaihtaa ilma/vesilämpöpumppuun, ja tuotettava lämmitysenergia olisi puolet lämmitystarpeesta. Kasvua olisi 23000 x 8103 kwh = +186 369 MWh. Yhteensä: Sähkön kulutus kasvaa + 257 300 MWh Öljyn kulutus pienenee -1 232 720 MWh 3.2. Päästöt Päästöjä laskettaessa voidaan käyttää joko keskimääräistä tai marginaalista arvoa. Standardien mukainen tapa on jaotella poistuva tai lisääntyvä tuotanto marginaalisena eri tuotantomuodoille ja laskea niiden perusteella päästöjen vähennys. Yksinkertaisuuden vuoksi, ja koska tulevaisuuden tuotantorakennetta on vaikea ennakoida, tässä työssä käytetään keskimääräistä päästökerrointa sähkölle. Päästöt voi halutessa laskea myös marginaalisella kertoimella. Tämän raportin skenaarioissa hiilidioksidipäästöinä käytettiin Sähköntuotantoskenaariot 2030 raportin (Pöyry Oy, 2008) kuvasta 5-4 laskettua keskimääräistä CO2/MWh arvoa vuodelle 2020 (140 kgco2/mwh). Öljyn hiilidioksidipäästöarvo 300 kg-co2/mwh on otettu Öljy ja kaasualan keskusliiton kalvoista(öljy- ja kaasualan keskusliitto, 2009). Ilma/vesilämpöpumpun osalta oletettiin, että puolet vaihtajista on öljylämmittäjiä. Muutos kuvaa päästöjen pienennystä vuoden 2006 lämmityspäästöjen arvosta, joka oli 3000 miljoonaa kgco 2 -ekv (Hallituksen energia- ja ilmastostrategia, 2008). Tämän työn päästöjen pienennyksessä ei ole otettu huomioon muita kuin hiilidioksidipäästöt. PERUSSKENAARIO Sähköenergia: 128 656 MWh x 140 kgco2/mwh = +18 011 840 kgco2 Öljy: 2 030 447 MWh x 300 kgco2/mwh = -609 134 100 kgco2 Päästöjen pienennys: -591 122 260 kgco2 Muutos lämmityksen aiheuttamiin CO2-päästöihin: -19,7 % OPTIMISTINEN SKENAARIO Sähköenergia: 539 306 MWh x 140 kgco2/mwh= +75 502 840 kgco2 Öljy: 3 817 329 MWh x 300 kgco2/mwh = - 1 145 198 700 kgco2 Päästöjen pienennys: - 1 069 695 860 kgco2 Muutos lämmityksen aiheuttamiin CO2-päästöihin: -38,2 % PESSIMISTINEN SKENAARIO Sähköenergia: 257 300 MWh x 140 kgco2/mwh = +36 022 000 kgco2 Öljy: 1 232 720 MWh x 300 kgco2/mwh = - 369 816 000 kgco2
Päästöjen pienennys: - 333 794 000 kgco2 Muutos lämmityksen aiheuttamiin CO2-päästöihin: -11,1 % 3.3. Kotitaloussähkön osuus skenaarioissa Yllä olevissa skenaarioissa saavutetaan lisäksi säästöä kotitaloussähkön osalta vaihtamalla energiansäästölamppuihin ja pienentämällä stand-by kulutusta. Seuraavassa lasketaan tämän vaikutus edellisen luvun skenaarioihin. Tarkemmat arviot näille sähköenergiansäästöille on esitetty kappaleessa 4. Tarkempia skenaarioita kotitaloussähkön kulutuksesta löytyy myös raportista Kotitalouksien sähkönkäyttö 2006 (Adato, 2006). Koska lain myötä siirrytään pois hehkulampuista, on muutospotentiaali tietenkin isompi. Skenaarioita voi tarkastella siinä mielessä, että koska hehkulamppujen ja stand-by kulutuksen tuomassa säästöpotentiaalikertoimissa on virhettä, niin sitä voi yrittää haarukoida alla olevien skenaarioiden pohjalta Seuraavassa on esitetty kuinka suuri osa rakennuksista vaihtaa energiansäästölamppuihin ja minimoi stand-by-kulutuksensa eri skenaarioissa: PERUSSKENAARIO - 80 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (254772 kpl) 254 772 x (918+337,3) kwh = 319 815 MWh - 80 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (17 433 x 5) (17433 x 5) x (612+337,3) kwh= 82 746 MWh - 80 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (63 200 kpl) 63 200 x (918+337,3) kwh = 79 335 MWh - 80 % rivitaloista (1163 x 5) (1163 x 5) x (612+337,3) kwh= 5 520 MWh - 80 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (187 076 kpl) 187076 x (1071 +337,3) kwh= 263 460 MWh - 80 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (13 294 kpl) 13 294 x 5 x (612+337,3) kwh= 63 100 MWh Yhteensä: 813 976 MWh OPTIMISTINEN SKENAARIO - 100 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (254 700 kpl) 318466 x (918+337,3) kwh= 399 770 MWh - 100 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (21 804 x 5) (21804 x 5) x (612+337,3) kwh= 103 493 MWh - 100 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (79 000 kpl) 79000 x (918+337,3) kwh = 99 169 MWh - 100 % rivitaloista (1454 x 5) (1454 x 5) x (612+337,3) kwh= 6 901 MWh - 100 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (233 845 kpl) 233 845 x (1071 +337,3) kwh= 329 324 MWh
- 100 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (16618 x 5 ) 16618 x 5 x (612+337,3) kwh= 78 877 MWh Yhteensä: 1 017 534 MWh PESSIMISTINEN SKENAARIO - 60 % pientaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (191 080 kpl) 191 080 x (918+337,3) kwh= 239 863 MWh - 60 % rivitaloista, joissa on huonekohtainen sähkölämmitys (13082 x 5) (13082 x 5) x (612+337,3) kwh= 62 093 MWh - 60 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen sähkölämmitys (47 400 kpl) 47 400 x (918+337,3) kwh= 59 501 MWh - 60 % rivitaloista (872 x 5) (872 x 5) x (612+337,3) kwh= 4 139 MWh - 60 % pientaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (140 307 kpl) 140 307 x (1071 +337,3) kwh= 197 594 MWh - 60 % rivitaloista, joissa on vesikiertoinen öljylämmitys (5 x 9970 kpl) 9970 x 5 x (612+337,3) kwh= 47 323 MWh Yhteensä: 610 513 MWh Yhdistämällä sekä lämmitykseen tehtävät muutokset (3.1.) että kotitaloussähkön määrään vaikuttavat toimenpiteet (3.3.) saadaan sähköenergian ja CO2-päästöjen muutoksiksi eri skenaarioissa seuraavat arvot: Perusskenaario: sähköenergia -685 320 MWh päästöt -705 078 900 kgco2 (-24%) Optimistinen skenaario: sähköenergia - 478 288 MWh päästöt - 1 212 150 620 kgco2 (-40%) Pessimistinen skenaario: sähköenergia - 353 213 MWh päästöt - 419 265 820 kgco2 (-14%) Tärkeää on muistaa, että nämä ovat skenaarioita. Tärkeimmät vaikuttavat tekijät ovat käytetty sähköenergiansäästökerroin, tyyppitalon koko ja määrä ja miten moni vaihtaa lämmitysjärjestelmää. Tekniikka myös kehittyy eteenpäin.
4. Yksittäiset arviot eri ratkaisuiden sähköenergian säästöpotentiaalista 4.1. Valaistus Hehkulamppujen vaihto energiansäästölamppuihin säästää sähköenergiaa 13,6 17.06 % kotitaloussähköstä, eli keskimäärin 15,3 %. Kotitaloussähkön kulutuksen koko Suomen tasolla ollessa 10992 GWh olisi säästö noin 0,153 x 10992 GWh =1681,8 GWh. 4.2. Poistoilmalämpöpumput Ilmanvaihdon teknisten ratkaisujen osuuksille rakennuskannassa ei löytynyt tilastoja, joten poistoilmalämpöpumppupotentiaalin arvioimiseen käytettiin seuraavaa menetelmää: Kyselytuloksista haettiin eri ilmanvaihtomuodot, ja niiden perusteella rakennuskanta jaettiin ryhmiin. Poistoilmalämpöpumppujen uudisrakentamispotentiaaliksi otettiin rakennukset, joissa oli koneellinen poisto tai koneellinen tulo ja poisto. Nämä arvot on annettu taulukossa 5. Teoreettinen säästöpotentiaali arvioitiin tyyppitalon ja rakennuskannan perusteella. Täytyy muistaa, että taulukon 5 ilmanvaihtomuotopotentiaali on saatu tutkimuksen aikana suoritetusta kyselyaineistosta, eikä sen tilastollista pätevyyttä koko Suomen rakennuskantaan ole tarkastettu millään tavoin. Koneellisen ilmanvaihdon määrän lasku 2000-luvulla johtuu ainakin siitä että suuressa osassa taloja oli poistoilman lämmön talteenotto. Taulukon 6 rakennukset sisältävät erilliset pientalot tilastokeskuksen PX-web:stä eikä niitä ole eroteltu lämmitysjärjestelmän mukaan, koska tilastoa ei ollut käytettävissä. Arvio pitää sisällään niin kauko-, puu- ja sähkölämmitteiset ynnä muut erilliset pientalot. Taulukossa 7 tyyppitalon koko arvioitiin vastaamaan taloutta, joka vastasi poistoilmalämpöpumppu-kohtaan kyselyssä. Poistoilmalämpöpumppuja ei liitetty luvun 3 lämmitysjärjestelmätarkasteluun, koska poistoilmapumppu asennetaan luultavammin uusiin taloihin, ja niiden sisällyttäminen vain osaan maalämpö- ja ilmalämpöpumppukohteista olisi tehnyt esityksestä liian sekavan. Kyselyaineistossa 63 % vastauksista, joissa oli koneellinen poisto tai koneellinen tulo/poisto lämmitysjärjestelmänä oli joko suora sähkölämmitys tai varaava sähkölämmitys. Muut olivat öljy, pelletti- ja kaukolämmitystalouksia. Tätä suhdelukua käytettiin arvioon sähkölämmitystalouksien potentiaalista.
Taulukko 5 Ilmanvaihtomuotojen prosenttiosuudet tutkimusaineistossa (Degefa, 2010) eri vuosikymmeninä Osuus kyselyn ilmanvaihtomuodoista 1959 tai aikaisemmin 1960-1969 1970-1979 1980-1989 1990-1999 2000-2008 Koneellisen poisto 5,02 9,93 18,62 27,16 28,47 8,56 Koneellinen tulo/poisto % 0,46 0,66 4,38 7,07 6,94 9,46 Yhteensä 5,48 10,59 23 34,23 35,41 18,02 Taulukko 6 Suomen pientaloasuntokantaan skaalattu poistoilmalämpöpumppupotentiaali pientaloissa taulukon 5 oletuksilla Erilliset pientalot 1940-1959 1960-1969 1970-1979 1980-1989 1990-1999 2000-2008 rakennuksia lkm. Potentiaalisia rakennuksia (tilastokeskus) % Lkm 242853 5.48 13308 114424 10.60 12124 154233 23.00 35475 189050 34.23 64714 115766 35.41 40989 97451 18.02 17559 SUMMA 184 170 Taulukko 7 Poistoilmalämpöpumpulla saavutettava säästö sähköenergiassa Säästö % 81-100 m 2 12.09 keskiarvo 101-120 m 2 13.1 => 13.69 121-150 m 2 15.87 Vuosienergia Säästö Tyyppitalo Asunto kwh kwh neliötä Poistoilmalämpöpumppu 115 m 2 23 020 3151 Koko Suomi 184 170 x 3151kWh= 580 GWh Myös muu kuin sähkölämmitys Sähkölämmitystaloudet 0.63 x 580 GWh= 365 GWh
4.3. Sisälämpötilan pudottaminen Sisälämpötilan pudottaminen asteella 81-100 neliön omakotitalossa vastasi tietokannan mukaan noin 3,4 % pienennystä kokonaissähkönkulutuksessa. Pelkän lämpötilan vaikutusta on vaikea erotella ja arvo vaihtelikin pinta-alan mukaan välillä 1,18-4,98 %. Sähköenergian ollessa 20800 kwh vuodessa olisi säästö 3,4 %:lla 707,2 kwh. Oletetaan, että kaikki huonekohtaiset sähkölämmittäjät laskisivat sisälämpötilaa. Tällöin säästö olisi 318 000 asunnon osalta 225 GWh. 4.4. Ohjelmoitava termostaatti Ohjelmoitavalla termostaatilla oletettiin saavutettavan noin 14,7 % säästö sähkölämmitysenergiassa. (Degefa, 2010) Säästöprosentti oli laskettu teoreettisesti tyyppitalolle, joka oli pintaalaltaan 163 m 2 ja tilavuudeltaan 466 m 3. Talon lämpökapasiteetti oli 40 Wh/m 3 K. Lämpötilan asettelukäyränä käytettiin kuvan 2 asettelua, joka perustuu Energy Star-sivuston suosituksiin. Asennettua lämmityskapasiteettia oli 48 kw, mikä on korkea normaaliin taloon verrattuna. Ohjelmoitavan termostaatin tilannetta verrattiin tilanteeseen, jossa sisälämpötila oli tasaiset 21 celsiusastetta, kuten kuvasta 2 näkyy. Kuvan 2 lämpötilannousuaika oli laskettu kaavalla 4.1, ja käyttämällä yllä olevia tietoja. Lämpötilannousuajan laskentaan käytettiin kaavaa (4.1): CΔT t = (4.1) Ptot UA( Tset Tout),jossa C on talon lämpökapasiteetti, Δ T on asettelun lämpötilaero, Ptot on asennettu lämmitysteho, UA on lämpöhäviökerroin (kw/ o C), Tout on ulkolämpötila ja Tset on ohjelmoitulämpötila. Kuvan 2 lämpötilarampin nousuajan laskennassa käytetyt kertoimet ovat seuraavat: C on 18,64 kwh/ o C, Δ T = 4,5 o C, Ptot=48 kw, UA=0,1523 kw/ o C, Tset=21 o C ja Tout= 0,5 o C. Säästö saatiin vertaamalla tyyppitalon lämpöhäviöitä kahdessa tilanteessa, kun käytettiin tasaista 21 asteen lämpötilaa ja vastaavasti käyttämällä kuvan 2 asettelukäyrää. Tarvittava lämmitysenergia oli laskettu kaavalla, joka ottaa huomioon HDD (Heating Degree Days) arvon ja tyyppitalon parametrit. Diplomityössä (Degefa, 2010) todetaan, että tällä menetelmällä laskettu säästö on lämpötilannousuajan (4.1) ja ulkolämpötilanfunktio. Saatava säästö pienenee ulkolämpötilan laskiessa (Degefa, 2010. Figure 4.9). Käytännössä kylmillä ilmoilla lämpötilannousu tapahtuisi siis hitaammin, ja lämpötilanmuutosta on ehkä pienenettävä, jolloin säästöt pienenevät. Normaalissa käytössä yli 2 asteen lasku ei ole käytännöllistä, koska tavoitelämpötilan saavuttaminen kestää kauan ilman suurta tehoa ja asuin mukavuus kärsii.